甄秀仙++甄玉勇++陳慶雪

摘 要：自主研制一臺(tái)加工尺寸范圍為汽車、建筑機(jī)械、工程機(jī)械中的3800 mm×2400 mm×600 mm箱體類零件的粗、精加工的高效率五軸龍門加工中心。

關(guān)鍵詞：五軸龍門加工中心 橫梁 進(jìn)給系統(tǒng) 底座和工作臺(tái) 滑枕滑架 主軸的研究

中圖分類號(hào)：TG502 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）09（a）-0068-01

機(jī)床是制造各種機(jī)械的機(jī)器，機(jī)床工業(yè)科技水平的高低，是一個(gè)時(shí)代新技術(shù)綜合發(fā)展水平高低的重要標(biāo)志?，F(xiàn)在機(jī)械行業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要支柱產(chǎn)業(yè)，隨著社會(huì)發(fā)展進(jìn)步，人們?cè)絹?lái)越重視機(jī)床的加工效率，這就要求機(jī)床行業(yè)必須努力提高機(jī)床的通用性及多用性。五軸龍門加工中心就是我公司為滿足市場(chǎng)需求研發(fā)的一臺(tái)高效率高通用性的設(shè)備。該臺(tái)設(shè)備研制的成功，在提高生產(chǎn)效率的同時(shí)，提高加工精度，節(jié)約生產(chǎn)成本，減少人力浪費(fèi)，可替代同類產(chǎn)品的進(jìn)口，使我國(guó)的高端裝備制造業(yè)上升到的一個(gè)新的水平，縮短與國(guó)外相關(guān)技術(shù)的差距。

1 主要研究?jī)?nèi)容

五軸龍門加工中心是借鑒國(guó)內(nèi)外龍門加工中心機(jī)床的先進(jìn)特點(diǎn)，自行研制的新一代工作臺(tái)移動(dòng)定梁式龍門加工中心。X軸行程為4200 mm，Y軸行程2800 mm，Z軸行程為1000 mm。本機(jī)床適用于汽車、建筑機(jī)械、工程機(jī)械中的3800 mm×2400 mm×600 mm箱體類零件的粗、精加工?？刂葡到y(tǒng)配置為西門子840DSL數(shù)控系統(tǒng)，配有彩色液晶中文顯示器，其測(cè)量過(guò)程實(shí)現(xiàn)全數(shù)控，并具有非常好的人機(jī)界面，高穩(wěn)定性和高可靠性，操作方便。X、Y、Z軸均采用數(shù)字式交流伺服系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)軸聯(lián)動(dòng)加工，可進(jìn)行直線和圓弧插補(bǔ)等操作，零件在工作臺(tái)上一次裝夾后可自動(dòng)完成銑、鏜、鉆、擴(kuò)、攻絲、曲面等多種工序的加工。

機(jī)床橫梁、立柱、底座、滑枕、滑架、工作臺(tái)為具有良好吸震性和精度保持性，均采用高強(qiáng)度鑄鐵材料鑄造成形。主軸組件利用動(dòng)態(tài)平衡校正設(shè)備，直接校正主軸動(dòng)態(tài)平衡，避免主軸在高轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生共振現(xiàn)象，以確保最佳的加工精度。主軸采用智能控制恒溫冷卻系統(tǒng)，分別對(duì)主軸前軸承、主軸后軸承等進(jìn)行強(qiáng)制恒溫冷卻，控制主軸滑枕部分的溫升，抑制主軸的熱變形。三個(gè)進(jìn)給坐標(biāo)中，各坐標(biāo)軸全部采用高精度圓柱滾子直線滾動(dòng)導(dǎo)軌，采用C3級(jí)高精度滾珠絲杠，快移速度X、Y、Z坐標(biāo)軸均可達(dá)20 m/min。

1.1 橫梁的研究

由于滑架和滑枕以及橫梁本身的重量都會(huì)使橫梁安裝在立柱上后產(chǎn)生向下的彎曲現(xiàn)象，相同截面下橫梁越長(zhǎng)彎曲現(xiàn)象越明顯。這樣就會(huì)使Y軸直線導(dǎo)軌不再平行于工作臺(tái)的表面，影響機(jī)床的加工精度，為了避免上面現(xiàn)象的產(chǎn)生，我們采取以下的方法來(lái)解決，橫梁上良好的型腔布筋結(jié)構(gòu)是橫梁剛性的可靠保證，也是解決橫梁彎曲的關(guān)鍵，我們采用合理布置筋板的位置以及V型筋的布置方式來(lái)保證橫梁的剛性。在橫截面積一定的情況下，最大限度的增大空腔面積，減小筋板厚度，降低橫梁的總體重量，也可以進(jìn)一步降低橫梁重量對(duì)其彎曲的影響；在加工橫梁導(dǎo)軌面時(shí)，為了防止橫梁安裝后向下凹，可以將橫梁加工成稍微向上凸的形狀；也就是說(shuō)，按照橫梁變形的相反方向加工橫梁上的導(dǎo)軌安裝基面，這也是解決橫梁彎曲的關(guān)鍵。

1.2 進(jìn)給系統(tǒng)的研究

龍門加工中心運(yùn)動(dòng)部件進(jìn)給系統(tǒng)的傳動(dòng)方式常見(jiàn)為滾珠絲杠副傳動(dòng)和齒輪齒條傳動(dòng)。因滾珠絲杠副傳動(dòng)精度好，運(yùn)動(dòng)速度快，定位、重復(fù)定位精度高，而齒輪齒條傳動(dòng)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，所以我們選用滾珠絲杠副的傳動(dòng)方式。

滾珠絲杠傳動(dòng)部分采用“固定—固定”的形式。此種安裝方式使絲杠一般不會(huì)受壓，絲桿穩(wěn)定性高，使傳動(dòng)系統(tǒng)有較高軸向剛度和臨界轉(zhuǎn)速，使驅(qū)動(dòng)部件實(shí)現(xiàn)了高的運(yùn)動(dòng)速度。伺服電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器、精密減速機(jī)將電機(jī)驅(qū)動(dòng)扭矩放大后傳導(dǎo)給滾珠絲杠，使絲杠旋轉(zhuǎn)來(lái)帶動(dòng)絲杠螺母作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)滾珠絲杠大驅(qū)動(dòng)力傳動(dòng)。我們選用絲杠專用角接觸軸承安裝在絲杠支撐上，該軸承能承受較大的軸向力，也就保證了驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)具有高剛性。此外，通過(guò)鎖緊螺母、絲杠軸承和隔套以及滾珠絲杠固定支架可以實(shí)現(xiàn)對(duì)滾珠絲杠的預(yù)拉伸，來(lái)消除滾珠絲杠熱變形對(duì)傳動(dòng)精度的影響，獲得了高速傳動(dòng)下的高的傳動(dòng)精度。

1.3 底座和工作臺(tái)的研究

在底座和工作臺(tái)之間采用的是兩根重載的滾柱直線導(dǎo)軌，并且每根導(dǎo)軌上安裝有4個(gè)超重負(fù)荷的重型滑塊。這種直線導(dǎo)軌的動(dòng)靜摩擦力小，使工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)時(shí)具有高靈敏度，做到高速時(shí)振動(dòng)小，低速時(shí)無(wú)爬行，并且具有定位精度高，伺服驅(qū)動(dòng)性能優(yōu)等特點(diǎn)；同時(shí)該直線導(dǎo)軌承載能力大，切削抗振動(dòng)性能好，可以改善機(jī)床性能特性，提高機(jī)床的精度和精度穩(wěn)定性及機(jī)床的使用壽命。

為避免工作臺(tái)滾珠絲杠因?yàn)閮啥酥尉嚯x過(guò)遠(yuǎn)本身自重使絲杠中部向下產(chǎn)生撓曲而影響使用，為保證工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，對(duì)滾珠絲杠增加浮動(dòng)支撐機(jī)構(gòu)。在絲杠螺母未處于浮動(dòng)絲杠浮動(dòng)機(jī)構(gòu)位置時(shí)，有支撐輥直接支撐絲杠，而當(dāng)絲杠螺母通過(guò)絲杠浮動(dòng)支撐機(jī)構(gòu)時(shí)，在工作臺(tái)下部設(shè)置限位塊和滾動(dòng)支撐裝置配合，將絲杠浮動(dòng)支撐機(jī)構(gòu)整體下壓，便于絲杠螺母通過(guò)，此時(shí)滾動(dòng)支撐裝置和工作臺(tái)下部設(shè)置的限位塊配合支撐絲杠，實(shí)現(xiàn)絲杠工作過(guò)程的全程浮動(dòng)支撐。（注：該機(jī)構(gòu)已申請(qǐng)專利 證書號(hào)：ZL 2012 2 0497986.4）

1.4 滑枕滑架研究

滑枕與滑架采用了鑄造滑臺(tái)式結(jié)構(gòu)；滑枕與滑架之間采用滑動(dòng)導(dǎo)軌副，即鑄鐵-貼塑磨擦副，這樣可以保證加工時(shí)切削平穩(wěn)，特別適用于主軸強(qiáng)力銑削，大孔鏜削加工。

設(shè)計(jì)滑枕時(shí)，采用空箱結(jié)構(gòu)形式，內(nèi)部可以裝入采用高剛性、大直徑主軸部件總成、寬幅調(diào)速交流伺服主軸電機(jī)+變速箱的主傳動(dòng)系統(tǒng)。為了實(shí)現(xiàn)滑枕20m/min的快速移動(dòng)，滑枕部件上安裝有雙液壓缸的平衡機(jī)構(gòu)，壓力油通過(guò)進(jìn)口的優(yōu)質(zhì)平衡閥組作用在平衡油缸上來(lái)平衡滑枕及其內(nèi)部部件的重量，這樣做既能保證滑枕主軸箱運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性、靈活性以及快速響應(yīng)速度，又大大降低了這部分部件對(duì)Z軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)性能的要求。

1.5 主軸的研究

五軸龍門加工中心主軸最高轉(zhuǎn)速為18000 n/min，為保證該主軸高的轉(zhuǎn)速及高的剛度，我們特采用高速角接觸球軸承，并以前四后二的形式進(jìn)行配置?？紤]到主軸高速旋轉(zhuǎn)的溫升問(wèn)題，采用智能恒溫冷卻系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行了充分的冷卻。此外，為保證主軸高速切削時(shí)的平穩(wěn)性和良好的吸震性，采用主軸箱與滑枕一體式的結(jié)構(gòu)形式，直接集成在滑枕上。

在主軸抓刀部分的設(shè)計(jì)上，采用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)形式，即主軸內(nèi)部的蝶形彈簧以拉緊力通過(guò)四瓣爪式拉刀機(jī)構(gòu)作用在刀柄的拉釘上，使刀具與主軸錐孔緊密配合來(lái)實(shí)現(xiàn)抓拉動(dòng)作。主軸松刀是采用液壓油缸動(dòng)作時(shí)碟形彈簧推動(dòng)拉刀機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

2 結(jié)論

通過(guò)設(shè)計(jì)計(jì)算以及產(chǎn)品的試生產(chǎn)及裝配調(diào)試，該五龍門加工中心基本上能夠滿足當(dāng)初的設(shè)計(jì)研發(fā)要求，現(xiàn)在已經(jīng)形成批量產(chǎn)品，基本上滿足了用戶的使用要求。該機(jī)床目前在用戶處使用效果良好，傳動(dòng)速度較快，運(yùn)動(dòng)較平穩(wěn)，并保證了良好的定位精度和重復(fù)定位精度，具有較高的加工效率。

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